Bioprodukcja bezkomórkowa dla tańszych, czystszych chemikaliów

Biotechnologowie opracowali genetycznie zmodyfikowane bakterie i inne drobnoustroje do produkcji biopaliw i chemikaliów z zasobów odnawialnych. Jednak złożone szlaki metaboliczne w tych żywych organizmach mogą być trudne do kontrolowania, a pożądane produkty mogą być trujące dla drobnoustrojów. Co by było, gdybyś mógł całkowicie wyeliminować żywą komórkę?

Biochemia piwowarska: Badacze z Greenlight Biosciences, Kamil Gedeon (siedzi) i Stephanie DeMarino (stojąc) monitorują kulturę bakterii skonstruowanych do produkcji enzymów do bezkomórkowej syntezy chemicznej.

Greenlight Biosciences, start-up z rejonu Bostonu, konstruuje drobnoustroje do wytwarzania różnych enzymów, które mogą wytwarzać chemikalia, a następnie rozbija robaki, aby zebrać te enzymy. Naukowcy nie muszą zadawać sobie trudu izolowania enzymów z innego materiału komórkowego; zamiast tego dodają chemikalia, aby zahamować niepożądane reakcje biochemiczne. Mieszając gnojowicy na bazie różnych drobnoustrojów z cukrami i innymi surowcami węglowymi, firma może generować złożone reakcje w celu wytworzenia różnych chemikaliów. Greenlight twierdzi, że jego technologia umożliwia firmie wytwarzanie tańszych wersji istniejących chemikaliów i wyprodukowała już dodatek do żywności, produkty lecznicze oraz pestycydy i herbicydy.

Największą motywacją do założenia firmy było wymyślenie, jak produkować takie związki w sposób bardziej przyjazny dla środowiska, mówi CEO Andriej Zarur . Ale produkty Greenlight muszą być również tańsze niż te wytwarzane w produkcji chemicznej lub opartej na ogniwach, mówi, w przeciwnym razie branże będą niechętnie ich używać.

Strategia Greenlight to odejście od klasycznych procesów fermentacji, które zależą od kadzi żywych drobnoustrojów. Różni się również od innego podejścia do inżynierii genetycznej, często nazywanej biologią syntetyczną, która modyfikuje ścieżki drobnoustrojów tak, aby były zoptymalizowane do wytwarzania pożądanych związków. Kilka firm opracowuje bakterie i drożdże do produkcji specjalistycznych chemikaliów, ale w większości te grupy utrzymują robaki przy życiu. Na przykład Amyris może wytwarzać biopaliwa, leki i chemikalia stosowane w kosmetykach i smarach poprzez inżynierię mikrobów z nowymi zestawami enzymów, które mogą modyfikować cukry i inne materiały wyjściowe (patrz Amyris ogłasza komercyjną produkcję biochemikaliów i drobnoustrojów może masowo produkować lek na malarię ). Metabolix zaprojektował bakterie do produkcji biodegradowalnego plastiku (patrz Bioplastik idzie na rynek).

Problem z tą strategią polega na tym, że kiedy bakterie i inne drobnoustroje są przekształcane w żywe fabryki chemiczne, nadal muszą przeznaczać pewne zasoby na uprawę zamiast na produkcję chemiczną, mówi Marek Styczyński , inżynier metabolizmu i biolog systemowy w Georgia Institute of Technology. Co więcej, nawet w pozornie prostej bakterii metabolizm jest skomplikowany. Mówi, że szlaki metaboliczne podlegają złożonej regulacji w obrębie siebie i między nimi. Zmiana jednego szlaku metabolicznego w celu poprawy produkcji chemicznej może mieć szerokie, a czasem negatywne konsekwencje dla reszty komórki.

Dlatego oddzielenie ścieżki produkcji od potrzeb komórki może być ogromną zaletą – mówi. Greenlight nie pozwala całkowicie uniknąć drobnoustrojów. W słonecznej przestrzeni laboratoryjnej firmy na północ od Bostonu naukowcy wykorzystują bulgoczące bioreaktory do hodowli bakterii w płynnej kulturze, utrzymując różne gatunki i szczepy, które mogą wytwarzać różne enzymy. Gdy robaki osiągną określoną gęstość, naukowcy wysyłają je przez wytłaczarkę wysokociśnieniową, aby rozbić je na kawałki. Następnie dodają leki do powstałej szarej zawiesiny, aby wyłączyć większość enzymów metabolicznych komórek; użyteczne enzymy pozostają nienaruszone, ponieważ zostały zaprojektowane tak, aby opierały się lekom.

Technologia, która utrzymuje działanie odsłoniętych szlaków metabolicznych, została opracowana przez James Swartz , inżynier biochemiczny na Uniwersytecie Stanforda, który opuścił stanowisko inżyniera ds. białek w firmie biotechnologicznej Genentech, aby opracować bezkomórkowe metody wytwarzania białek farmakologicznych (insulina jest przykładem białka podobnego do leku, które można wytworzyć za pomocą biotechnologii). Poszukując większej kontroli nad biologiczną maszynerią produkującą białka, Swartz wymyślił, jak zapewnić tej maszynerii biochemiczne środowisko, którego potrzebowała nawet poza jej normalnym miejscem w komórce. Jego metody nie tylko umożliwiły mu wytwarzanie bardziej złożonych białek, ale okazało się, że można je również wykorzystać do kontrolowania maszynerii biologicznej w celu wytwarzania małych cząsteczek i chemikaliów. Odkryliśmy, że odtwarzając warunki chemiczne zachodzące wewnątrz komórki, aktywujemy wiele procesów metabolicznych, nawet tych, które ludzie uważali za zbyt skomplikowane, mówi.

Greenlight może rozwiązywać problemy i poprawiać metaboliczną produkcję chemikaliów w sposób bardziej zbliżony do inżynierii chemicznej niż wszystko, co można znaleźć w typowej inżynierii mikrobiologicznej. Wolne od komórek zawiesiny są aktywne przez 96 godzin, zanim enzymy zaczną się rozkładać. W tym momencie musi zostać wyhodowana nowa partia drobnoustrojów.

Jedną z zalet ogniwa jest jego samoreplikacja, mówi David Berry, szef Flagship Ventures, który był współzałożycielem firm biopaliwowych LS9 i Joule Unlimited. (Berry to 2007 Przegląd technologii MIT Innovator Under 35 .) Ale nawet jeśli system bezkomórkowy traci tę zaletę, istnieją inne korzyści, takie jak doskonała elastyczność. Berry mówi, że istnieje możliwość pracy z większą ilością danych wejściowych i obejścia sytuacji, w których niektóre ścieżki obecnie nie działają z powodu potrzeb komórki.

Zarur mówi, że Greenlight może mieć swój pierwszy produkt na rynku na początku przyszłego roku. Będzie to suplement diety o właściwościach zdrowotnych, mówi.

Firma otrzymała również 4,5 miliona dolarów dotacji od ARPA-E na opracowanie systemu konwersji metanu, głównego składnika gazu ziemnego, na paliwo płynne. Agencja twierdzi, że taka technologia może umożliwić mobilnym fermentorom dostęp do odległych źródeł gazu ziemnego w celu taniej konwersji gazu ziemnego na paliwo płynne.

ukryć